DE102019125014A1 - Verfahren zum Überwachen von Batteriezellen einer Batterie, Batteriesystem sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Batteriezellen (5) einer Batterie (3) eines Kraftfahrzeugs mittels galvanostatischer Impedanzspektroskopie, wobei bei dem Verfahren- den Batteriezellen (5) ein Stromsignal mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal aufgeprägt wird,- Zellspannungssignale der Batteriezellen (5) als frequenzabhängige Antwortsignale auf das Anregungssignal erfasst werden, und- in Abhängigkeit von dem Anregungssignal und den Antwortsignalen Impedanzspektren der Batteriezellen (5) bestimmt werden, wobei zum Bereitstellen des Anregungssignals die Batterie (3) in zumindest zwei Teilstränge (3a, 3b) mit jeweils zumindest einer Batteriezelle (5) unterteilt wird, und zwischen den Teilsträngen (3a, 3b) mit den unterschiedlichen Frequenzen alternierende Ladungstransfers durchgeführt werden, indem abwechselnd einem der Teilstränge (3a, 3b) Ladung entnommen wird, welche einem anderen Teilstrang (3b, 3a) zugeführt wird..Die Erfindung betrifft außerdem ein Batteriesystem sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Batteriezellen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs mittels galvanostatischer Impedanzspektroskopie. Bei dem Verfahren wird den Batteriezellen ein Stromsignal mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal aufgeprägt. Außerdem werden Zellspannungssignale der Batteriezellen als frequenzabhängige Antwortsignals auf das Anregungssignal erfasst und in Abhängigkeit von dem Anregungssignal und den Antwortsignalen werden Impedanzspektren der Batteriezellen bestimmt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Batteriesystem sowie ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
  • Vorliegend richtet sich das Interesse auf wiederaufladbare Batterien bzw. Akkumulatoren, welche beispielsweise als Traktionsbatterien für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge eingesetzt werden können. Solche Batterien weisen üblicherweise eine Verschaltung mehrerer Batteriezellen auf. Diese Batteriezellen sollen während ihres Betriebs überwacht werden. Dazu ist es beispielsweise bekannt, mittels Spannungssensoren und Temperatursensoren an den Batteriezellen eine Zellspannung und eine Temperatur der Batteriezellen zu überwachen. Es ist aber auch wünschenswert, ein dynamisches Verhalten der Batteriezellen zu überwachen, welches beispielsweise eine Alterung der Batteriezellen beschreibt. Dazu ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Batteriezellen mittels Impedanzspektroskopie zu überwachen. Bei der galvanostatischen Impedanzspektroskopie wird den Batteriezellen ein Stromsignal mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal eingeprägt und das frequenzabhängige Zellspannungssignal der Batteriezellen als Antwortsignal erfasst. Aus dem Zusammenhang zwischen dem Stromsignal und dem Zellspannungssignal wird das Impedanzspektrum der Batteriezellen bestimmt.
  • Für die galvanostatische Impedanzspektroskopie können für jede Batteriezelle entsprechende, zelleigene Erregerschaltungen bereitgestellt werden, welche für jede Batteriezelle ein Anregungssignal erzeugen können. Dies ist jedoch sehr aufwändig und mit hohen Kosten sowie einem hohen Bauraumbedarf verbunden. Auch kann das Anregungssignal mittels einer externen Erregerschaltung erzeugt werden. Eine solche externe Erregerschaltung kann beispielsweise ein Umrichter, welcher zwischen die Batterie und eine elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs geschaltet ist, oder ein DC/DC-Wandler, welcher zwischen die Batterie und zumindest einen Verbraucher des Kraftfahrzeugs geschaltet ist, sein. Zum Erzeugen des Anregungssignals können beispielsweise Schaltelemente des Umrichters oder des DC/DC-Wandlers entsprechend angesteuert werden. Der Umrichter und der DC/DC-Wandler weisen jedoch üblicherweise einen Zwischenkreiskondensator zur Welligkeitsdämpfung auf, welcher zwischen die Schaltelemente und die Batterie geschaltet ist und welcher das erzeugte Stromsignal vor dem Einprägen in die Batteriezellen in unerwünschter Weise glätten würde.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie eine Impedanzspektroskopie zur Überwachung von Batteriezellen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs auf einfache und kostengünstige Weise durchgeführt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, ein Batteriesystem sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Überwachen von Batteriezellen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs mittels galvanostatischer Impedanzspektroskopie. Bei dem Verfahren wird den Batteriezellen ein Stromsignal mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal zugeführt bzw. aufgeprägt. Dann werden Zellspannungssignale der Batteriezellen als frequenzabhängige Antwortsignale auf das Anregungssignal erfasst und in Abhängigkeit von dem Anregungssignal und den Antwortsignalen werden Impedanzspektren der Batteriezellen bestimmt. Die Batterie wird in zumindest zwei Teilstränge mit jeweils zumindest einer Batteriezelle unterteilt. Zum Bereitstellen des Anregungssignals werden zwischen den Teilsträngen mit den unterschiedlichen Frequenzen alternierende Ladungstransfers durchgeführt, indem abwechselnd einem der Teilstränge Ladung entnommen wird, welche einem anderen Teilstrang zugeführt wird.
  • Zur Erfindung gehört außerdem ein Batteriesystem aufweisend eine Batterie mit mehreren verschalteten Batteriezellen und eine Vorrichtung, welche zum Überwachen der Batteriezellen mittels galvanostatischer Impedanzspektroskopie ausgelegt ist. Die Vorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, den Batteriezellen ein Stromsignal mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal aufzuprägen. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Messeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, Zellspannungssignale der Batteriezelle als frequenzabhängige Antwortsignale auf das Anregungssignal zu erfassen und in Abhängigkeit von dem Anregungssignal und den Antwortsignalen Impedanzspektren der Batteriezellen zu bestimmen. Die Batterie ist in zumindest zwei Teilstränge mit jeweils zumindest einer Batteriezelle unterteilt. Die Steuereinrichtung ist zum Bereitstellen des Anregungssignals dazu ausgelegt, zwischen den Teilsträngen mit den unterschiedlichen Frequenzen alternierende Ladungstransfers durchzuführen, indem sie abwechselnd einem der Teilstränge Ladung entnimmt und einem anderen Teilstrang zuführt.
  • Die wiederaufladbare Batterie bzw. der Akkumulator des Batteriesystems ist insbesondere als eine Hochvoltbatterie mit einer Spannungslage von zumindest 100 V ausgebildet. Die Batterie ist vorzugsweise als eine Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet und ist dazu insbesondere über einen Umrichter mit einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden. Die Batterie weist eine Verschaltung, beispielsweise eine Serienschaltung, von Batteriezellen auf. Die Batteriezellen können beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Die Verschaltung wird über einen Mittelabgriff in zumindest zwei, insbesondere gleich große, und seriell miteinander verschaltete Teilstränge unterteilt. Jeder Teilstrang weist insbesondere mehrere miteinander in Serie verschaltete Batteriezellen auf. Um die Batteriezellen im Betrieb der Batterie überwachen zu können, wird mittels der Vorrichtung die galvanostatische Impedanzspektroskopie durchgeführt. Mittels der Impedanzspektroskopie können physikalisch-chemische Effekte der Batteriezelle, welche ein dynamisches Verhalten der Batteriezellen beschreiben und damit insbesondere für die Batteriedynamik von Bedeutung sind, erfasst bzw. identifiziert werden.
  • Dazu werden die Batteriezellen jeweils mit einem Stromsignal belastet, welches Wechselströme unterschiedlicher Frequenzen aufweist. Die Ströme können beispielsweise sinusförmig sein. Dieses Stromsignal stellt ein Anregungssignal für die Batteriezelle dar, auf welches eine Zellchemie der Batteriezelle reagiert. Diese Reaktion der Batteriezelle ist anhand des frequenzabhängigen Zellspannungssignals erfassbar, welches insbesondere für jede Batteriezellen als Antwortsignal auf das aufgeprägte Anregungssignal bestimmt wird. Zum Erfassen des Zellspannungssignals einer Batteriezelle wird für verschiedene Frequenzen, beispielsweise ausgehend von mehreren Kilohertz bis hinab in den Millihertz-Bereich, die Zellspannung der Batteriezelle als Reaktion auf den ihr zugeführten Strom gemessen. Insbesondere weist die Messeinrichtung für jede Batteriezelle einen Spannungssensor zum Erfassen des Zellspannungssignals auf. Aus dem Zusammenhang zwischen dem frequenzabhängigen Stromsignal und dem frequenzabhängigen Zellspannungssignal einer Batteriezelle kann das Impedanzspektrum für diese Batteriezelle bestimmt werden.
  • Um das Anregungssignal in Form von dem Stromsignal zu erzeugen, wird die Batterie in die zumindest zwei Teilstränge bzw. Batterieeinheiten unterteilt. Die Teilstränge werden in jeweils einen Stromkreis eingebunden, wobei die Stromkreise über die Steuereinrichtung miteinander gekoppelt sind. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, ein Entladen und Laden der jeweiligen Teilstränge, und damit der Batteriezellen der Teilstränge, zu steuern. Die Ladung wird dabei zwischen den Teilsträngen hin- und her transportiert. Dabei wird innerhalb einer sich wiederholenden Periode des Stromsignals einem ersten Teilstrang Ladung entnommen, welche einem zweiten Teilstrang zugeführt wird, und daraufhin dem zweiten Teilstrang die Ladung wieder entnommen, welche dem ersten Teilstrang wieder zugeführt wird. Dieser alternierende Ladungstransfer bzw. dieser zyklische Ladungsaustausch wirkt an den Batteriezellen wie ein aufgeprägtes Wechselstromsignal. Das alternierende Entladen und Laden der Teilstränge kann durch Variieren der Periodendauer mit unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt werden, um die Ströme mit den unterschiedlichen Frequenzen zu erzeugen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, da keine zusätzlichen Erregerschaltungen für die Batteriezellen vorgesehen werden müssen. Dies spart sowohl Bauraum als auch Materialkosten. Dadurch, dass die Anregungssignalerzeugung durch das hin- und her Transferieren von Ladung durchgeführt wird, werden die Batteriezellen, im Gegensatz zu einer Anregungssignalerzeugung mittels zellspezifischer Erregerschaltungen, kaum belastet und kaum Energie verbraucht.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinrichtung als ein mit zwei Anschlusspunkten der Batterie und dem Mittelabgriff elektrisch verbundener Gleichspannungswandler ausgebildet. Der Gleichspannungswandler ist insbesondere ein Gleichspannungswandler für ein Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs, welcher die von der Batterie bereitgestellte Hochvoltspannung in eine für das Niedervoltbordnetz geeignete Niedervoltspannung umwandelt. Durch die Verwendung des bereits im Kraftfahrzeug vorhandenen Gleichspannungswandlers kann die Erzeugung des Anregungssignals ohne zusätzlichen Materialaufwand, und damit besonders kostengünstig, durchgeführt werden.
  • Es erweist sich als vorteilhaft, wenn aus dem Impedanzspektrum einer Batteriezelle zumindest eine frequenzabhängige Kenngröße der Batteriezelle bestimmt wird. Vorzugsweise wird als die zumindest eine frequenzabhängige Kenngröße der Batteriezelle eine Temperatur und/oder ein Ladezustand und/oder eine Alterung der Batteriezelle bestimmt. Mittels der Impedanzspektroskopie kann also sowohl ein dynamisches Verhalten der Batteriezellen als auch ein statisches Verhalten der Batteriezellen bestimmt werden. Dazu wird das Impedanzspektrum einer Batteriezelle als Impedanzkurve dargestellt, deren qualitativer und quantitativer Verlauf untersucht werden kann und beispielsweise mit einer Referenzimpedanzkurve verglichen werden kann. In dieser Impedanzkurve spiegeln sich Änderungen des Batteriezellverhaltens infolge der Temperatur, des Ladezustands (SOC) und des Alterungszustands bzw. Gesundheitszustands (SOH) wider.
  • Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Batteriesystem, wobei die Batterie des Batteriesystems insbesondere eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs ist. Das als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildete Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Personenkraftwagen.
  • Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Batteriesystem sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine Darstellung einer Ausführungsform einer Batteriesystems während einer ersten Periodenhälfte; und
    • 2 eine Darstellung einer Ausführungsform einer Batteriesystems während einer zweiten Periodenhälfte.
  • In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 und 2 zeigen ein Bordnetz 1 für ein Kraftfahrzeug. Das Bordnetz 1 weist ein Batteriesystem 2 mit einer Batterie 3 auf, welche beispielsweise als Traktionsbatterie für das als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildete Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Die Batterie 3 ist hier als eine Hochvoltbatterie ausgebildet und mit zumindest einem Hochvoltverbraucher 4 des Bordnetzes 1 elektrisch verbunden. Das Bordnetz 1 ist hier somit als ein Hochvoltbordnetz ausgebildet. Der zumindest eine Hochvoltverbraucher 4 kann beispielsweise eine Leistungselektronik bzw. ein Umrichter sein, welcher einen Zwischenkreiskondensator Czk aufweist und mit einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden ist.
  • Die Batterie 3 weist mehrere seriell miteinander verschaltete Batteriezellen 5 auf. Um diese Batteriezellen 5 im Betrieb der Batterie 3 überwachen zu können, beispielsweise hinsichtlich ihrer Lebensdauern und ihrer Alterungszustände, weist das Batteriesystem 2 eine Vorrichtung 6 auf. Die Vorrichtung 6 ist dazu ausgelegt, die Batteriezellen 5 der Batterie 3 mittels galvanostatischer Impedanzspektroskopie zu überwachen. Die Vorrichtung 6 umfasst eine Steuereinrichtung 7 und eine Messeinrichtung 8. Die Steuereinrichtung 7 ist hier als ein Gleichspannungswandler bzw. DC/DC-Wandler, beispielsweise für ein Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs, z.B. ein 12 V-Bordnetz, ausgebildet. Die Steuereinrichtung 7 ist mit Anschlusspunkten A1, A2 der Serienschaltung aus Batteriezellen 5 sowie mit einem Mittelabgriff M elektrisch verbunden.
  • Der Mittelabgriff M teilt die Batterie 3 in zwei Teilstränge 3a, 3b, welche jeweils eine Serienschaltung aus mehreren Batteriezellen 5 aufweisen. Dabei wird ein erster Stromkreis K1 aufweisend den ersten Teilstrang 3a und die Steuereinrichtung 7 sowie ein zweiter Stromkreis K2 aufweisend den zweiten Teilstrang 3b und die Steuereinrichtung 7 gebildet. Mittels der Steuereinrichtung 7 kann für jeden Teilstrang 3a, 3b und damit für jede Batteriezelle 5 ein Stromsignal erzeugt werden, welches beispielsweise sinusförmige Wechselströme unterschiedlicher Frequenzen aufweist. Dazu wird zwischen den Stromkreisen K1, K2 und damit zwischen den Teilsträngen 3a, 3b zyklisch Ladung ausgetauscht, welche von den Batteriezellen 5 bereitgestellt wird.
  • Dazu wird beispielweise in einer ersten Periodenhälfte, wie beispielsweise in 1 gezeigt, den Batteriezellen 5 des zweiten Teilstranges 3b Ladung entnommen, welche den Batteriezellen 5 des ersten Teilstranges 3a wieder zugeführt wird. In einer zweiten Periodenhälfte, die in 2 gezeigt ist, wird den Batteriezellen 5 des ersten Teilstranges 3a die Ladung wieder entnommen und den Batteriezellen 5 des zweiten Teilstranges 3b zugeführt. Die in 1 und 2 gezeigten Periodenhälften bilden eine Periode innerhalb des Stromsignals, welches den Batteriezellen 5 als Anregungssignal zugeführt wird. Über die Periodendauer kann die Frequenz des Ladens und Entladens und damit die Frequenz des Stromes eingestellt werden. Dadurch, dass die Ladung über die Steuereinrichtung 7 nur zwischen den Stromkreisen K1, K2 ausgetauscht wird, erzeugt das Anregungssignal kaum Welligkeiten, welche durch den Zwischenkreiskondensator Czk des Umrichters geglättet werden. Der Zwischenkreiskondensator Czk dämpft als das Anregungssignal in vorteilhafter Weise nicht. Würde das Anregungssignal direkt von dem Umrichter erzeugt werden und den Batteriezellen 5 zugeführt werden, so würde der Zwischenkreiskondensator Czk das Anregungssignal glätten und dadurch dämpfen.
  • Das Anregungssignal erzeugt einen Spannungsabfall an den Batteriezellen 5, welcher von der Messeinrichtung 8 erfasst werden kann. Die Messeinrichtung 8 ist ein Impedanzspektroskopiemessgerät und weist insbesondere für jede Batteriezelle 5 einen Spannungssensor zur Erfassung eines Zellspannungssignals der zugeordneten Batteriezelle 5 aus. Die Messeinrichtung 8 erfasst dabei an jeder Batteriezelle 5 das Zellspannungssignal als Antwortsignal der Batteriezelle 5 auf das Anregungssignal in Form von dem Stromsignal. Eine Auswerteeinheit der Messeinrichtung 8 ist dazu ausgelegt, aus dem Zellspannungssignal und dem Stromsignal für jede Batteriezelle 5 ein Impedanzspektrum zu bestimmen. Dazu wird die Impedanz der Batteriezelle 5 bei den verschiedenen Frequenzen des Anregungssignals ermittelt. Anhand des Impedanzspektrums einer Batteriezelle 5 können batteriedynamische Kenngrößen dieser Batteriezellen 5 bestimmt und überwacht werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Überwachen von Batteriezellen (5) einer Batterie (3) eines Kraftfahrzeugs mittels galvanostatischer Impedanzspektroskopie, wobei bei dem Verfahren - den Batteriezellen (5) ein Stromsignal mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal aufgeprägt wird, - Zellspannungssignale der Batteriezellen (5) als frequenzabhängige Antwortsignale auf das Anregungssignal erfasst werden, und - in Abhängigkeit von dem Anregungssignal und den Antwortsignalen Impedanzspektren der Batteriezellen (5) bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen des Anregungssignals die Batterie (3) in zumindest zwei Teilstränge (3a, 3b) mit jeweils zumindest einer Batteriezelle (5) unterteilt wird, und zwischen den Teilsträngen (3a, 3b) mit den unterschiedlichen Frequenzen alternierende Ladungstransfers durchgeführt werden, indem abwechselnd einem der Teilstränge (3a, 3b) Ladung entnommen wird, welche einem anderen Teilstrang (3b, 3a) zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Impedanzspektrum einer Batteriezelle (5) zumindest eine frequenzabhängige Kenngröße der Batteriezelle (5) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als die zumindest eine frequenzabhängige Kenngröße der Batteriezelle (5) eine Temperatur und/oder ein Ladezustand und/oder eine Alterung der Batteriezelle (5) bestimmt wird.
  4. Batteriesystem (2) aufweisend eine Batterie (3) mit mehreren verschalteten Batteriezellen (5) und eine Vorrichtung (6), welche zum Überwachen der Batteriezellen (5) mittels galvanostatischer Impedanzspektroskopie ausgelegt ist, wobei die Vorrichtung (6) aufweist: - eine Steuereinrichtung (7), welche dazu ausgelegt ist, den Batteriezellen (5) ein Stromsignal mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal aufzuprägen, und - eine Messeinrichtung (8), welche dazu ausgelegt ist, Zellspannungssignale der Batteriezellen (5) als frequenzabhängige Antwortsignale auf das Anregungssignal zu erfassen und in Abhängigkeit von dem Anregungssignal und den Antwortsignalen Impedanzspektren der Batteriezellen (5) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (3) in zumindest zwei Teilstränge (3a. 3b) mit jeweils zumindest einer Batteriezelle (5) unterteilt ist und die Steuereinrichtung (7) zum Bereitstellen des Anregungssignals dazu ausgelegt ist, zwischen den Teilsträngen (3a, 3b) mit unterschiedlichen Frequenzen alternierende Ladungstransfers durchzuführen, indem sie abwechselnd einem der Teilstränge (3a, 3b) Ladung entnimmt, welche sie einem anderen Teilstrang (3b, 3b) wieder zuführt.
  5. Batteriesystem (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (3) einen Mittelabgriff (M) zum Aufteilen der Batterie (3) in die zumindest zwei Teilstränge (3a, 3b) aufweist.
  6. Batteriesystem (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung als ein mit zwei Anschlusspunkten der Serienschaltung und dem Mittelabgriff elektrisch verbundener Gleichspannungswandler ausgebildet ist.
  7. Batteriesystem (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (8) für jede Batteriezelle (5) einen Spannungssensor zum Erfassen der Zellspannung aufweist.
  8. Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Batterie (3) als Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102021103989A1 (de) 2021-02-19 2022-08-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Überwachen von Batteriezellen einer Primärbordnetzbatterie, Bordnetz sowie Kraftfahrzeug
WO2024037915A1 (de) 2022-08-16 2024-02-22 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum überwachen von batteriezellen einer batterie eines kraftfahrzeugs, computerprogramm, datenverarbeitungsvorrichtung und kraftfahrzeug

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180364311A1 (en) * 2015-12-22 2018-12-20 Vito Nv Device for measuring characteristics of high voltage batteries

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180364311A1 (en) * 2015-12-22 2018-12-20 Vito Nv Device for measuring characteristics of high voltage batteries

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021103989A1 (de) 2021-02-19 2022-08-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Überwachen von Batteriezellen einer Primärbordnetzbatterie, Bordnetz sowie Kraftfahrzeug
WO2024037915A1 (de) 2022-08-16 2024-02-22 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum überwachen von batteriezellen einer batterie eines kraftfahrzeugs, computerprogramm, datenverarbeitungsvorrichtung und kraftfahrzeug
DE102022120558A1 (de) 2022-08-16 2024-02-22 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Überwachen von Batteriezellen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, Computerprogramm, Datenverarbeitungsvorrichtung und Kraftfahrzeug

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